海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)中板式換熱器換熱特性研究

彭景平,陳鳳云,吳浩宇,葛云征,劉 蕾,劉偉民

(自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061)

板式換熱器與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比具有換熱效率高、有效溫差大、易拆卸清洗、節(jié)省占地空間和易于適應(yīng)熱負(fù)荷變化等優(yōu)點(diǎn),從20世紀(jì)30年代以來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和能源等換熱領(lǐng)域[1-5]。海洋溫差能因其能量密度高、儲(chǔ)量大且穩(wěn)定、清潔可再生的優(yōu)點(diǎn)近年來倍受世界沿海國家和地區(qū)的關(guān)注[6]。由于海洋溫差能可利用溫差較小,熱力循環(huán)效率低[7-8],換熱器的效率在整個(gè)海洋溫差能利用系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性中起重要作用[9-10],因此研究換熱器的換熱特性對(duì)提高海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)利用效率顯得十分重要。

Kim 等[11]采用工質(zhì)R-1234ze(E)和R134a對(duì)不同雪弗龍角(Chevron angles)板式換熱器換熱系數(shù)和壓降進(jìn)行了研究。Zhang等[12]對(duì)工質(zhì)蒸發(fā)溫度范圍在60～80 ℃的有機(jī)朗肯循環(huán)換熱器的換熱特性和壓降進(jìn)行了研究,采用了R134a,R1234yf和R1234ze三種工質(zhì)進(jìn)行對(duì)比。Lee等[13]研究了工質(zhì)為R-1233zd(E)蒸發(fā)溫度為60～80℃情況下釬焊式換熱器的換熱系數(shù)和壓降。Okamoto等[10]研究了氨水混合工質(zhì)在平板式換熱器內(nèi)的局部沸騰換熱特性。Fernández-Seara等[14]實(shí)驗(yàn)研究了氨工質(zhì)在水平光管換熱器中池沸騰的換熱特性。國內(nèi)外在熱能轉(zhuǎn)換利用方面,對(duì)板式換熱器換熱特性的研究集中于蒸發(fā)溫度較高的有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng),對(duì)較低蒸發(fā)溫度的海洋溫差能系統(tǒng)中氨工質(zhì)的換熱器換熱特性研究相對(duì)較少。

因此,本文以海洋溫差能工況下的板式換熱器作為研究對(duì)象,通過搭建測(cè)試平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)板式換熱器的換熱特性和壓降進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得到了換熱器的換熱特性隨熱流密度的變化規(guī)律,以及換熱器壓降隨工質(zhì)流量的變化關(guān)系,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合換熱特性和壓降關(guān)聯(lián)式,從而為海洋溫差能系統(tǒng)應(yīng)用選型計(jì)算提供理論支持和數(shù)據(jù)參考。

1 換熱器設(shè)計(jì)

可拆卸式板式換熱器和釬焊板式換熱器是目前常用的2種板式換熱器結(jié)構(gòu)形式[15],釬焊板式換熱器由于其耐高溫、耐高壓的特點(diǎn),其價(jià)格是可拆卸板式換熱器的數(shù)倍。目前國內(nèi)可拆卸板式換熱器用于系統(tǒng)壓力不大于1.0 MPa的工作環(huán)境[16]。由于釬焊換熱器造價(jià)成本高,本系統(tǒng)采用改良后的可拆卸板式換熱器。為了克服可拆卸板式換熱器耐壓能力差的缺點(diǎn),對(duì)傳統(tǒng)可拆卸板式換熱器進(jìn)行改進(jìn),密封橡膠墊采用硅橡膠密封墊,在板片和密封墊之間采用高壓密封膠粘合。改良后的換熱器在2.0 MPa試壓無泄漏。根據(jù)以往的研究[11,17-22],人字形波紋板片結(jié)構(gòu)形式具有優(yōu)異的換熱性能,波紋傾角為60°時(shí)板片的換熱性能優(yōu)異,因此本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的板式換熱器采用波紋傾角為60°的人字形波紋SUS316L 不銹鋼板片。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中海水和工質(zhì)在板式換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱,換熱器板片如圖1所示,板片的技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 換熱器板片F(xiàn)ig.1 Plate of the heat exchanger

表1 換熱器板片參數(shù)Table 1 Technical parameters of the plate

2 系統(tǒng)裝置

試驗(yàn)裝置由蒸發(fā)器(測(cè)試換熱器)、冷凝器、透平發(fā)電機(jī)、工質(zhì)泵、冷水循環(huán)泵、熱水循環(huán)泵、冷水箱和熱水箱等部件組成(圖2)。海洋溫差能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的蒸發(fā)器作為本論文研究對(duì)象,換熱器測(cè)試由兩個(gè)循環(huán)組成,分別是水循環(huán)環(huán)路和氨工質(zhì)循環(huán)環(huán)路。在換熱器水環(huán)路的進(jìn)出口和氨環(huán)路進(jìn)出口設(shè)置溫度傳感器和壓力傳感器,測(cè)量水環(huán)路和工質(zhì)環(huán)路的溫度和壓力參數(shù)。采用電磁流量計(jì)測(cè)量通過換熱器的水流量,采用的渦輪流量計(jì)測(cè)量通過換熱器的工質(zhì)流量。溫度變送器選用SWB-T 型鎧裝溫度變送器,精度為±0.15℃;差壓變送器選用以差動(dòng)電容為檢測(cè)原理組成電容式變送器,型號(hào)為G3351DP 型,測(cè)量精度為0.5%;海水流量的測(cè)量使用LGD型電磁流量計(jì),公稱直徑為200 mm,測(cè)量精度為0.5%;氨工質(zhì)流量的測(cè)量使用型號(hào)為LWYC-50渦輪流量計(jì),公稱直徑為50 mm,測(cè)量精度為0.5%。本測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用Agilent 34970A 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)過程中,通過改變經(jīng)過換熱器的工質(zhì)和熱水流量來測(cè)試換熱器的換熱特性。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置原理Fig.2 Schematic plot of the experimental apparatus

3 換熱器理論分析

氨工質(zhì)在換熱器進(jìn)口為液態(tài),在換熱器出口處為氣態(tài),換熱器中氨側(cè)流道為兩相流,兩相流換熱器換熱特性評(píng)價(jià)可整理為努塞爾數(shù)Nu、普朗特?cái)?shù)Pr、等效雷諾數(shù)Reeq和沸騰數(shù)Bo的變化關(guān)聯(lián)式[22-25]為

上述表達(dá)式中流體熱物性參數(shù)的計(jì)算和選取,均采用了換熱器進(jìn)出口平均溫度情況下的參數(shù)。板式換熱器的總傳熱系數(shù)K可以通過對(duì)數(shù)平均溫差法進(jìn)行計(jì)算[20]:

式中:Q為換熱器換熱量,Q=mcpΔT,其中,m為通過換熱器水的質(zhì)量流量,cp為水的定壓比熱,ΔT為換熱器進(jìn)出口溫度差;A為換熱器換熱面積;Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差其中,

Thi和Tho分別為換熱器熱海水進(jìn)、出口溫度,Tci和Tco分別為換熱器工質(zhì)進(jìn)出口溫度。水側(cè)通過板片向工質(zhì)側(cè)傳熱的總傳熱系數(shù)K[27]為

式中:hf為工質(zhì)側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù);δw為板片厚度;λw為板片導(dǎo)熱系數(shù);hh為熱水側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)hh=0.023λhReh0.8Prh1/3/Dh,其中,λh為熱水的導(dǎo)熱系數(shù),Reh為熱水的雷諾數(shù),Prh為熱水的普朗特?cái)?shù),Dh為板式換熱器通道的當(dāng)量直徑。

4 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用表層海水和蒸汽加熱的海水作為系統(tǒng)冷熱源,通過控制變頻泵的頻率和蒸汽量,分別在不同流量和溫度情況下測(cè)試了板式換熱器的換熱特性。

在換熱器進(jìn)口處熱海水與氨工質(zhì)溫度保持不變,改變通過換熱器的熱海水流量,測(cè)試換熱器在不同熱流密度下的換熱特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:換熱器換熱系數(shù)隨著熱流密度的增大而增大。熱流密度為2.5 k W/m2時(shí),換熱器換熱系數(shù)約為1 200 W/(m2K),改變海水流量使熱流密度增大到4 k W/m2時(shí),換熱器的換熱系數(shù)約為1 450 W/(m2K),當(dāng)熱流密度增大到5 k W/m2時(shí),換熱器換熱系數(shù)約為1 550 W/(m2K),如圖3所示。圖4顯示了換熱器換熱系數(shù)隨熱流密度的變化,當(dāng)熱流密度大于3 k W/m2時(shí),換熱系數(shù)隨熱流密度變化的曲線斜率變小。在測(cè)試運(yùn)行過程中,換熱器換熱系數(shù)可達(dá)到1 600 W/(m2K)。

圖3 不同熱流密度情況下的換熱系數(shù)Fig.3 The instantaneous heat transfer coefficients under different heat fluxes

圖4 換熱系數(shù)隨熱流密度的變化Fig.4 Variations of heat transfer coefficients with heat fluxes

將換熱器換熱特性整理為努塞爾數(shù)Nu、普朗特?cái)?shù)Pr、等效雷諾數(shù)Reeq和沸騰數(shù)Bo的變化相關(guān)性進(jìn)行評(píng)價(jià),由于湍流強(qiáng)度的增加,換熱器對(duì)流換熱強(qiáng)度隨等效雷諾數(shù)Reeq的增加而增大。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)板式換熱器的換熱特性表示為Nu與Reeq、Bo和Pr1/3的相關(guān)性進(jìn)行了擬合,得到了氨在換熱器中蒸發(fā)換熱的無量綱參數(shù)關(guān)聯(lián)式為

將實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與使用上述關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)的換熱系數(shù)進(jìn)行比較,其偏差在20%以內(nèi)(圖5)。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行實(shí)驗(yàn):熱海水溫度40℃,熱海水流量125 m3/h,氨工質(zhì)出口溫度37.9℃(端差2.1℃),工質(zhì)泵流量6.3 m3/h。蒸發(fā)器的瞬態(tài)換熱系數(shù)見圖6,可知換熱器系數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),換熱器系數(shù)基本保持在1 100～1 200 W/(m2K)。

圖5 Nu 預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.5 Comparison of the predicted data for Nu with experimental data

圖6 換熱器瞬態(tài)換熱系數(shù)變化曲線Fig.6 The transient heat transfer coefficients of heat exchanger

系統(tǒng)控制將流過換熱器的溫海水流量和溫度保持不變,改變流過換熱器的氨工質(zhì)流量,測(cè)試在不同氨工質(zhì)流量下蒸發(fā)器壓降的變化,壓降隨工質(zhì)流量變化見圖7。由圖7可知,在測(cè)試過程中,換熱器工質(zhì)側(cè)壓降隨流量的增加而增大,換熱器內(nèi)工質(zhì)體積流量V=10 m3/h時(shí),工質(zhì)側(cè)壓降為8.5 k Pa。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),擬合了換熱器壓降(ΔP)與工質(zhì)流量的關(guān)系式[28],將實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與使用上述關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)的壓降值進(jìn)行比較,其偏差在10%以內(nèi)(圖8)。ΔP公式為

圖7 蒸發(fā)器壓降與工質(zhì)流量變化關(guān)系曲線Fig.7 Variations of evaporator pressure drops with changes of working fluid flow rates

圖8 蒸發(fā)器壓降預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.8 Comparison of the predicted data for evaporator pressure drop with experimental data

5 結(jié) 論

本文基于海洋溫差發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)的板式換熱器進(jìn)行改進(jìn),以適應(yīng)海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)工況。并對(duì)該系統(tǒng)中的板式換熱器換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明:換熱器換熱系數(shù)隨熱流密度的增加而增大,換熱器工質(zhì)側(cè)壓降隨工質(zhì)流量的增加而增大。并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了換熱器換熱特性的無量綱關(guān)聯(lián)式以及換熱器壓力與工質(zhì)流量變化的關(guān)聯(lián)式。結(jié)論總結(jié)如下:

1)由于可拆卸板式換熱器的承壓能力差,本文對(duì)板式換熱器進(jìn)行了改進(jìn)并測(cè)試,改進(jìn)的換熱器實(shí)驗(yàn)壓力為1.4～1.5 MPa,實(shí)驗(yàn)過程中換熱器并無泄露。表明密封橡膠墊采用硅橡膠密封墊,在板片和密封墊之間采用高壓密封膠粘合的改進(jìn)方法適用于海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)。

2)在實(shí)驗(yàn)過程中,換熱器換熱系數(shù)隨熱流密度的增加而增大,當(dāng)熱流密度大于3 k W/m2時(shí),換熱系數(shù)隨流量變化的曲線斜率變小。在整個(gè)測(cè)試工況內(nèi),換熱器換熱系數(shù)最高可達(dá)到1 600 W/(m2K)。并在實(shí)驗(yàn)過程中獲得了換熱器的瞬態(tài)換熱特性。依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的換熱器換熱特性無量綱關(guān)聯(lián)式的偏差在20%以內(nèi)。

3)換熱器工質(zhì)側(cè)壓降隨著工質(zhì)流量的增加而增大,當(dāng)工質(zhì)流量大于5 m3/h時(shí),隨工質(zhì)流量的增加換熱器壓降增加幅度變大。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合的換熱器壓降隨工質(zhì)流量變化關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)偏差在10%以內(nèi)。